已知S(n,k)=n∑i=1ik,其中k,n∈N∗.
(1)求S(n,1),S(n,2),S(n,3);
(2)给出S(n,k)关于k的一个递推公式.
分析与解 (1) 根据等差数列的求和公式,有S(n,1)=12n(n+1)=12n2+12n.由和立方公式,有(i+1)3=i3+3i2+3i+1,于是n∑i=1(i+1)3=n∑i=1i3+3S(n,2)+3S(n,1)+n,即(n+1)3−n−1=3S(n,2)+3S(n,1),整理可得S(n,2)=13n3+12n2+16n.类似的,由(i+1)4=i4+4i3+6i2+4i+1,可得S(n,3)=14n4+12n3+14n2.
(2) 由二项式定理,有(i+1)k+1=ik+1+Ckk+1ik+Ck−1k+1ik−1+⋯+C1k+1i+1,于是n∑i=1(i+1)k+1=n∑i=1ik+1+Ckk+1S(n,k)+Ck−1k+1S(n,k−1)+⋯+C1k+1S(n,1)+n,整理可得S(n,k)=(n+1)k+1−n−1−Ck−1k+1S(n,k−1)−Ck−2k+1S(n,k−2)−⋯−C1k+1S(n,1)k+1.
事实上,有S(n,k)=1k+1k+1∑i=1Cik+1Bk+1−ini,其中zez−1=+∞∑n=0Bnznn!.中间用到的Bn被称为伯努利数(Bernoulli number).
观察下列等式:
n∑i=1i=12n2+12n,n∑i=1i2=13n3+12n2+16n,n∑i=1i3=14n4+12n3+14n2,n∑i=1i4=15n5+12n4+13n3−130n,n∑i=1i5=16n6+12n5+512n4−112n2,n∑i=1i6=17n7+12n6+12n5−16n3+142n,⋮n∑i=1ik=ak+1nk+1+aknk+ak−1nk−1+ak−2nk−2+⋯+a1n+a0,可以推测,当k⩾2 (k∈N∗)时,ak+1=1k+1,ak=12,
ak−1=______,ak−2=______.
这道填空题考查合情推理.观察出答案很容易:ak−1=k12,ak−2=0.下面用数学归纳法给出证明.
为表述方便,设
Sk(n)=n∑i=1ik=a(k)k+1nk+1+a(k)knk+a(k)k−1nk−1+a(k)k−2nk−2+⋯+a(k)1n+a(k)0,
我们现在要证明对任意k⩾2 (k∈N∗),都有{a(k)k+1=1k+1,a(k)k=12,a(k)k−1=k12,a(k)k−2=0.
由题意,当k=2,3,4时,欲证等式均成立.
假设欲证等式对k=m−1,m,m+1均成立,则有
Sm+1(n)=1m+2nm+2+12nm+1+m+112nm+⋯+a(m+1)0,Sm(n)=1m+1nm+1+12nm+⋯+a(m)0,Sm−1(n)=1mnm+⋯+a(m−1)0,
因此k=m+2时,由递推公式可知
a(m+2)m+3=1m+3,a(m+2)m+2=1m+3(C1m+3−C2m+3m+2)=12,a(m+2)m+1=1m+3(C2m+3−C2m+32−C3m+3m+1)=m+212,a(m+2)m+1=1m+3(C3m+3−(m+1)C2m+312−C3m+32−C4m+3m)=0,
故k=m+2时,欲证等式也成立.
综上所述,欲证等式对任意k⩾2 (k∈N∗)都成立.